CN109632685B - 基于双波段差分红外成像系统的工业气体排放探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双波段差分红外成像系统的工业气体排放探测方法，本发明基于气体分子振动而形成特有红外吸收光谱的特性，对目标场景内相邻两个极窄波段进行高灵敏度红外成像，通过差分检测实现场景内气体云团的探测。本方法具有探测距离远、作业效率高、识别精度准、全天时工作的优点，相对现有傅里叶红外光谱探测、商用可燃气体检测仪、主动激光探测等方法，能够探测气体云团的几何形态和浓度信息，并在探测效率上有明显优势。本系统稳定性强，集成度高，特别适用于工业污染气体排放监控、石油化工天然气泄漏探测、海上油田设备老化监控等领域。
Description
技术领域：
本发明涉及一种基于双波段差分红外成像系统的工业气体排放探测方法，特指利用气体分子振动而形成特有红外吸收光谱的特性而设计的一套遥感成像系统，可以获得待探测气体几何形态、浓度等信息，特别适用于工业应急管理领域的污染、危险气体排放监测与预警。
背景技术：
随着社会的不断发展，科学的不断进步以及工业化规模的扩大，部分生产需要大量的气体作为原料，有时会在生产环节中产生大量的气体产品和废气，其中不乏大量的对人类和自然有危害的气体。尤其是石油生产、化工、煤矿、汽车等生产工业不断发展壮大，产生的有害气体日益增多，对环境的污染日益严重。例如，在矿井中存在很多如甲烷、一氧化碳等易燃易爆的气体。2010年4月20日，墨西哥湾“深水地平线”号钻井平台发生甲烷泄漏，引发爆炸及大火，导致11死。钻井平台后沉入海底，并发生严重的原油泄漏，至少5000平方公里的海面被漂浮的石油污染，成为史上最严重的漏油事故，到目前为止仍无有效手段进行远距离甲烷早期局部泄漏进行监控。另外，随着科技的发展进步，人类军事武器的发展，伴随着大量化学武器的研发生产，尤其是化学战剂等有毒气体对人类的生产生活产生了严重的威胁，例如，氨气、光气等。
气体在空气中是扩散流动的，没有固定的形状和体积，尤其是会随着风的传播迅速扩散开来。同时很多有害气体只需达到很微量的浓度就能对人体造成伤害，且大部分气体在空气中是无色的或者是很难用肉眼辨识的，这就给远距离气体排放的发现和实时监测带来了极大的困难。由于气体的高危害性，需要整个气体探测机制具有较远的探测距离以及较高的探测精度(包括形态、浓度等)。目前对于上述体到的工业气体探测仍然以傅里叶红外光谱分析、商业气体检测仪等手段为主，其中傅里叶红外光谱分析可以实现远距离探测，但是无法获取排放气体的几何形态信息。商业气体检测仪只能进行近距离接触式探测，并且无法形成几何排放信息。综上所述，目前仍然缺乏远距离遥感手段进行工业排放气体的几何形态监测手段。
为了解决上述问题，依据化学气体均存在由于分子振动而形成的特有红外吸收光谱曲线的特点，本发明提出了一种基于双波段差分红外成像系统的工业气体排放探测方法，能够采用遥感的技术对泄漏化学气体形成的几何形态、排放趋势、气体种类、浓度信息的有效监测，可以有效避免上述人员、经济损失。
发明内容：
本发明涉及一种基于双波段差分红外成像系统的工业气体排放探测方法，特指利用气体分子振动而形成特有红外吸收光谱的特性而设计的一套遥感成像系统，可以获得排放气体几何形态、浓度等信息。为了达到上述目的，本发明的技术方案如下所述：基于双波段差分红外成像系统的工业气体排放探测方法，其中双波段差分红外成像系统包括双波段差分红外相机1、图像采集设备2、图像差分检测器3。双波段差分红外相机通过图像采集设备分时采集目标场景的图像。
本发明是基于不同化学气体分子振动特性引起的红外光谱吸收特性而设计的，结合高灵敏度红外成像技术，获取目标场景(含待探测气体)在相邻的窄波段范围内的吸收光谱图像和透过光谱图像，并通过图像采集设备采集后进行差分检测算法实现有效探测。
本发明的工作原理是，探测场景发出的红外辐射信息经过待探测气体云后带有该气体的红外“光谱指纹”特征。双波段差分红外相机设计为两个波段，其中心波长和带宽分别为λ1，Δλ1和λ2，Δλ2。其中λ1表示待探测气体对应红外吸收极大窄波段光谱，λ2表示待探测气体对应红外透过极大窄波段光谱，Δλ1和Δλ2表示两者对应的光谱带宽，通常不超过50nm。系统加电工作后，高灵敏度双波段差分红外相机1在T1时刻采集得到中心波长λ1，带宽Δλ1的场景红外图像，连续采集16幅图像，该图像携带目标场景经过待探测气体红外吸收后的光谱信息，在T2时刻采集得到中心波长λ2，带宽Δλ2的场景红外图像，连续采集16幅图像，该图像携带目标场景经过待探测气体红外透过后的光谱信息。将上述获得的各自16幅图像分别进行平均后经过图像采集设备2存储起来。利用气体差分检测器3对这两幅红外图像进行像素级差分运算，从而得到排放气体的几何形态信息。在对双波段差分红外相机1进行待探测气体浓度标定的基础上，该图像信息可以进一步反演得到目标场景内气体的浓度信息。
本发明的优点在于：通过本方法设计的双波段差分红外相机可以获取各类典型工业排放气体的几何形态分布和气体浓度信息。由本方法设计的双波段差分红外相机具有响应波段窄、曝光时间长、红外背景辐射抑制充分的技术特点。
附图说明：
附图1为一种用于工业气体排放探测的双波段差分红外成像系统框图。
附图2为双波段差分红外相机结构设计图。
附图3为两种典型工业排放气体(甲烷、氨气)的红外吸收光谱曲线。
具体实施方式：
根据本发明内容，本实例构建了一套用于甲烷泄漏精细探测的双波段差分红外相机系统，如附图2所示，它包括相机光学锗窗口1、红外成像镜头2、红外吸收波段滤光片3、红外透过波段滤光片4、滤光片切换机构5、红外探测器芯片6、制冷机冷指7、相机冷屏8、探测器驱动电路杜瓦引线盘9、相机电子学电路10。双波段差分红外相机的主要技术指标如下：
其中各个部分的具体参数和设计如下：
红外成像镜头2：为透射式红外镜头，其材料为ZnSe，镜头口径为15mm，光学相对孔径为2，镜头焦距为30mm。
滤光片3、滤光片4：为两块独立的滤光片设计，中心波长分别为7.600μm和7.475μm，其带宽约50nm，该滤光片由中国科学院上海技术物理研究所进行设计加工和制造，滤光片切换机构5由微动开关实现切换，满足双通道红外分时成像的目的。
制冷机冷指7：采用法国Tales公司研制的RM4型旋转式小型斯特林制冷机，根据其特性，能够满足制冷温度60K的前提下的1W制冷需求。
相机冷屏8：冷屏为探测器组件的背景辐射抑制部件，冷屏8将红外成像镜头2、滤光片3、滤光片4、探测器芯片8均保护起来，可以100％抑制由红外成像镜头和滤光片自身热辐射产生的红外背景信号，该冷屏由中国科学院上海技术物理研究所进行设计加工和制造。
红外探测器芯片6：采用法国Sofradir公司VLW RM4型红外焦平面组件的探测器芯片，该芯片规模为320×256，像元尺寸为30μm×30μm，响应波长能够覆盖7.3～11.3μm。
本实例中的双波段差分红外相机选择的中心波长为7.600μm和7.475μm是针对甲烷泄漏探测而设计的。在实际的项目操作中，针对其他气体可以设计不同的中心波长和带宽，从而满足探测需求。下表列出利用本发明针对部分典型工业排放气体的波段设置情况：
Claims (1)
1.一种基于双波段差分红外成像系统的工业气体排放探测方法，所述的双波段差分红外成像系统包括双波段差分红外相机(1)、图像采集设备(2)、图像差分检测器(3)，其特征在于方法如下：
系统加电工作后，高灵敏度双波段差分红外相机(1)在T1时刻采集得到中心波长λ1，带宽Δλ1的场景红外图像，连续采集16幅图像，该图像携带目标场景经过待探测气体红外吸收后的光谱信息，在T2时刻采集得到中心波长λ2，带宽Δλ2的场景红外图像，连续采集16幅图像，该图像携带目标场景经过待探测气体红外透过后的光谱信息，其中λ1表示待探测气体对应红外吸收极大窄波段光谱，λ2表示待探测气体对应红外透过极大窄波段光谱，Δλ1和Δλ2表示两者对应的光谱带宽，Δλ1和Δλ2光谱带宽不超过50nm；将上述获得的各自16幅图像分别进行平均后经过图像采集设备(2)存储起来；利用气体差分检测器(3)对这两幅红外图像进行像素级差分运算，从而得到排放气体的几何形态信息；在对双波段差分红外相机(1)进行待探测气体浓度标定的基础上，该图像信息可以进一步反演得到目标场景内气体的浓度信息。
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